JPH06158210A - 加工性に優れた過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 初晶Ｓｉを微細化することにより、過共晶Ａ
ｌ−Ｓｉ合金の加工性，切削性等を改善する。 【構成】 この過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金は、Ｓｉ：１３〜
２１重量％，Ｃａ：６〜１２０ｐｐｍ及びＰ：４０〜１
３０ｐｐｍを含有し、Ｐ／Ｃａが重量比で０．６〜６の
範囲に調整されている。また、初晶Ｓｉの粒径は、２０
μｍ以下である。過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の溶湯に含まれ
ているＰ及びＣａの重量比Ｐ／Ｃａを鋳造直前の状態で
０．６〜６の範囲になるように調整し、溶湯を鋳造す
る。重量比Ｐ／Ｃａは、溶解原料の成分調整，Ｐ原料及
びＣａ原料の添加量と添加時期，合金溶解温度，溶湯保
持温度と時間，脱ガス条件，鋳造温度等の操業条件によ
って調整される。 【効果】 Ｃａ及びＰの相乗作用により初晶Ｓｉが微細
化され、加工性，切削性，耐摩耗性の良好な過共晶Ａｌ
−Ｓｉ合金が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、初晶Ｓｉを微細化する
ことにより加工性を向上させた過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンを１２．６重量％以上含有する
過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金は、熱膨張係数が小さく、耐熱性
にも優れている。また、溶湯が凝固する際に高硬度の初
晶シリコンが晶出するため、耐摩耗性が要求されるピス
トン，クランクケース，ブレーキドラム，シリンダーラ
イナー等の内燃機関用部品として使用されている。過共
晶Ａｌ−Ｓｉ合金は、硬質の初晶Ｓｉが晶出することに
起因して優れた耐摩耗性を呈するが、初晶Ｓｉが大きく
成長した鋳造組織になり易い。この状態で加工を施す
と、初晶Ｓｉやアルミニウムマトリックスとの界面等に
亀裂が入り、目的とする製品が得られないばかりでな
く、機械的性質も十分でない。特に、切削加工等の際
に、初晶Ｓｉに起因するカジリが発生する欠点がある。
初晶Ｓｉは、急冷凝固によって微細化される。たとえ
ば、粉末法を採用したり、特開昭５２−１２９６０７号
公報にみられるように溶湯圧延法によってアルミニウム
合金溶湯を急冷凝固し、鋳造組織の微細化を図ってい
る。

【０００３】アルミニウム合金溶湯をＰ処理することに
よっても、初晶Ｓｉを微細化することができる。Ｐ添加
によって初晶Ｓｉを微細化し、加工性及び機械的性質の
改善を図っている。添加されたＰは、金属間化合物Ａｌ
Ｐを形成し、この金属間化合物ＡｌＰが初晶Ｓｉの微細
化に作用するものと考えられている。たとえば、特開昭
５２−１５３８１７号公報では、ヘキサメタリン酸ナト
リウム及びアルミナの融合物をアルミニウム合金溶湯に
添加し、初晶Ｓｉの偏析を抑制し鋳造組織の微細化を図
っている。また、特開昭６０−２０４８４３号公報で
は、Ｃｕ−Ｐ合金，赤燐，リン酸ソーダ，リン酸カルシ
ウム等の燐含有物質で１６〜２５重量％のシリコンを含
有する過共晶アルミ−Ｓｉ合金を処理することが紹介さ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、金型鋳造，Ｄ
Ｃ鋳造のようにインゴットを経る方法においては、Ｐ添
加のみでは微細化が不十分な場合が多く、特に押出し
材，鍛造材等として使用するとき、加工時における初晶
Ｓｉの割れが問題となる。初晶Ｓｉを微細化するＰ添加
の作用は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金がＮａ又はＣａを含む
とき失われがちである。この点に関し、たとえば、財団
法人素形材編集「昭和５９年度ハイシリコン・アルミニ
ウム合金ダイカストの開発研究報告書（Ｉ）」第２４〜
２５頁では、次のように説明されている。過共晶Ａｌ−
Ｓｉ合金に含まれているＮａ及びＣａがＰと反応してＮ
ａ−Ｐ及びＣａ−Ｐを形成し、初晶Ｓｉの微細化に作用
するＡｌＰの生成が妨げられる。

【０００５】そのため、初晶Ｓｉの微細化を狙ったＰ添
加は、適用対象がＮａやＣａをなるべく含まない過共晶
Ａｌ−Ｓｉ合金に限られていた。Ｃａは、共晶Ｓｉを改
良する作用を呈し、亜共晶合金の引張り特性や衝撃値等
の性質を改善する有効な合金元素である。しかし、過共
晶Ａｌ−Ｓｉ合金においては、Ｃａが初晶Ｓｉ微細化の
ため添加されるＰの作用を阻害することと、逆にＰがＣ
ａによる共晶組織の改良作用を阻害することから、Ｃａ
は過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金に添加されることがなかった。
そのため、この系の合金において、初晶Ｓｉの更なる微
細化によって加工性等を向上しようとするとき、Ｐ処理
のみでは不十分であり、特殊な設備を必要とする溶湯圧
延法等の急冷凝固法に頼らざるを得ない。本発明は、こ
のような問題を解消すべく案出されたものであり、Ｃａ
とＰとの間で添加時期の調整や成分バランス等を図り、
急冷凝固を行わない金型鋳造，ＤＣ鋳造等においても初
晶Ｓｉが十分に微細化され、加工性，機械的性質等に優
れた過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の過共晶Ａｌ−Ｓ
ｉ合金は、その目的を達成するため、Ｓｉ：１３〜２１
重量％，Ｃａ：６〜１２０ｐｐｍ及びＰ：４０〜１３０
ｐｐｍを含有し、Ｐ／Ｃａが重量比で０．６〜６の範囲
にあることを特徴とする。特に、初晶Ｓｉは、粒径が２
０μｍ以下であることが好ましい。

【０００７】この過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金は、過共晶Ａｌ
−Ｓｉ合金の溶湯に含まれているＰ及びＣａを、鋳造直
前のＰ含有量が４０〜１３０ｐｐｍ，Ｃａ含有量が６〜
１２０ｐｐｍで且つＰ／Ｃａの重量比が０．６〜６の範
囲になるように調整し、前記溶湯を鋳造することにより
製造される。ここで、重量比Ｐ／Ｃａは、溶解原料の成
分調整，Ｐ原料及びＣａ原料の添加量と添加時期，合金
溶解温度，溶湯保持温度と時間，脱ガス条件，鋳造温度
等の操業条件によって調整される。

【０００８】

【作 用】過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金にＰを添加すると、Ａ
ｌＰ化合物が形成される。このＡｌＰ化合物が初晶Ｓｉ
の核として働き、鋳造組織の微細化が行われる。従来で
は、この系にＣａを添加するとき、Ｃａ−Ｐ化合物が生
成し、有効なＡｌＰ核が減少するため、Ｐによる微細化
効果が阻害されるものと説明されている。ところが、本
発明者等は、過共晶Ａｌ−ＳｉにＰ及びＣａを同時添加
したとき、Ｐ単独添加の場合に比較して初晶Ｓｉが著し
く微細化されていることを実験的に確認した。初晶Ｓｉ
が微細化した鋳造組織をＸＭＡにより調査したところ、
多くの場合にＣａがＰと共存していた。このことは、Ｃ
ａ添加によりＣａ−Ｐ化合物が形成されるが、Ｃａ−Ｐ
化合物が好ましい状態にあるとき、従来の説明とは異な
り、初晶Ｓｉの晶出により有効な核として働くことを示
唆している。

【０００９】本発明者等は、この初晶Ｓｉの微細化メカ
ニズムを次のように推察した。ＡｌＰ系，Ｃｕ−Ｐ系，
Ａｌ−Ｃｕ−Ｐ系等の母合金或いはＰ化合物等として過
共晶Ａｌ−Ｓｉ合金に添加されたＰは、金属間化合物Ａ
ｌＰとして溶湯中に存在している。この溶湯を鋳造した
場合、従来説明されているようにＡｌＰが初晶Ｓｉの核
として働く。これに対し、Ｐ及びＣａが共存する場合、
ＡｌＰの他に多数のＣａ−Ｐ化合物が形成される。Ｃａ
−Ｐ化合物は、ＡｌＰに比較して、初晶Ｓｉが晶出する
ときに有効な結晶核として働き、初晶Ｓｉを一層微細化
する。しかし、溶湯を高温に長時間保持すると、酸化等
によってＣａが系外に去り、溶湯中のＣａが不足するよ
うになる。その結果、有効な結晶核Ｃａ−Ｐの個数が減
少し、ＡｌＰが再び主な結晶核として働くようになり、
初晶Ｓｉの微細化が不十分になる。

【００１０】Ｃａ−Ｐ化合物を初晶Ｓｉの核として働か
せるためには、鋳造直前のアルミニウム合金溶湯におけ
る重量比Ｐ／Ｃａを０．６〜６の範囲に調整することが
必要である。鋳造直前の重量比Ｐ／Ｃａを０．６〜６に
維持する限り、たとえば次に掲げる何れの方法を採用し
ても、或いはこれらの方法を組合せて採用しても、従来
のＰ処理に比較して一層微細化した鋳造組織が得られ
る。 溶解開始から鋳造までの過程におけるＣａ及びＰの
消耗を考慮し、所定量のＣａ及びＰを予め溶解原料に配
合する方法。 所定量のＰを含有する過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を溶
解，鋳造して鋳塊を得る工程で、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金
を溶解した後でＣａを添加する方法。 Ｃａ及びＰを含まない過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を溶解
した後で、所定量のＣａ及びＰを同時に又は相前後して
添加する方法。 前掲〜の何れかでＣａ及びＰを含有させた過共
晶Ａｌ−Ｓｉ合金を鋳造直前に成分分析し、Ｃａ及びＰ
が不足する場合には、不足分を追加添加する方法。 前掲〜の何れかでＣａ及びＰを含有させた過共
晶Ａｌ−Ｓｉ合金を鋳造直前に成分分析し、Ｃａ含有量
が過剰な場合には、溶湯温度を高くするか或いは保持時
間を長くすることによってＣａ含有量を低下させる方
法。

【００１１】これまで、Ｃａは、Ｐ処理による微細化効
果を阻害し、初晶Ｓｉの微細化に有害であるとされてい
た理由は、Ｐ／Ｃａ比，Ｓｉ含有量に対するＣａ及びＰ
の含有量（添加量と異なる），溶解から鋳造するまでの
時間，鋳造温度，初晶Ｓｉ晶出温度域での冷却速度等に
関する検討が不十分であったことに起因するものと考え
られる。すなわち、何れかの条件が適当でなく、Ｃａ−
Ｐ化合物が有効な核として働かない状態にあったことが
原因として掲げられる。そこで、本発明者等は、これら
条件に関して詳細な検討を行った。

【００１２】Ｃａの添加 Ｃａは、溶解原料に予め含ませておくこと、或いは溶解
した過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金に添加する方法の何れによっ
ても、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金に含ませることができる。
何れの場合においても、Ｃａは、溶解や保持過程におけ
る損耗が激しいので、添加量ではなく含有量で把握する
ことが必要である。なお、Ｃａは、Ｃａを含有するＡｌ
−Ｃａ系等の母合金，化合物，混合物等として塊状，棒
状，線状，粉末状，顆粒状，溶融状等の形態で添加され
る。Ｃａ含有量を高精度にコントロールする上からは、
溶解後の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金に所定量のＣａを添加す
ることが好ましい。すなわち、溶解前にＣａを配合する
と、溶解，高温保持，脱ガス処理等の工程でＣａが損耗
し、鋳塊中のＣａ含有量を正確にコントロールすること
が難しくなる。特に、連続鋳造のように大量のメタルを
取り扱う場合、目標とするＣａ含有量が得られず、不良
となる確率が高くなる。また、鋳塊に移行するＣａの歩
留りが低いため、損耗分を見込んだより多量のＣａを添
加することも必要になる。

【００１３】溶解後の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金にＣａを添
加するとき、鋳塊におけるＣａ含有量を比較的正確にコ
ントロールすることができ、初晶Ｓｉの微細化も目標通
り行われる。たとえば、溶解原料にＣａを冷材として配
合し、溶解直後に鋳造したとき、Ｃａの歩留りは４５〜
８５％の範囲で大きくばらついた。これに対し、溶解後
の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金にＣａを添加し、直ちに鋳造し
たとき、Ｃａの歩留りが７６〜９４％に向上すると共
に、鋳塊のＣａ含有量に大きなバラツキがなくなった。
鋳造直前の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金における重量比Ｐ／Ｃ
ａが０．６〜６．０の範囲にあるとき、Ｃａ−Ｐ化合物
の微細化作用が効果的に発揮される。しかし、Ｃａ含有
量は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を溶湯の状態で保持すると
次第に減少し、それに伴ってＰ／Ｃａが増加する。ま
た、Ｃａ含有量の減少率は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯
が高温になるほど大きくなる。そこで、鋳造に先立って
Ｃａ含有量を所定範囲に調整した後、長い保持時間をお
かずに鋳造することが好ましい。

【００１４】なお、Ｃａ含有量が減少し、重量比Ｐ／Ｃ
ａが６．０を超えると、Ｃａ−Ｐ化合物の微細化作用が
不十分である。また、重量比Ｐ／Ｃａが０．６未満で
も、微細化効果が得られなくなる。Ｃａ含有量が更に増
加しＰ／Ｃａが低くなると、初晶Ｓｉは、Ｃａ無添加の
場合よりもむしろ粗くなる。重量比Ｐ／Ｃａが０．６未
満になると、Ｃａ−Ｐ化合物中のＣａ濃度も上がり、こ
れが初晶Ｓｉの結晶核として働かない好ましくない状態
になるものと考えられる。その結果、従来報告されてい
るようにＰ処理による微細化作用が阻害される。また、
Ｃａ含有量が１２０ｐｐｍを超えると、重量比Ｐ／Ｃａ
が０．６未満であれば初晶Ｓｉが微細化するが、溶湯の
流動性が著しく低下し、湯境い等の鋳造欠陥が発生し易
くなる。この点から、Ｃａ含有量の上限は、１２０ｐｐ
ｍに設定される。他方、Ｃａ含有量の下限は、Ｐ＝６Ｃ
ａとＰ＝４０の交点Ｂ（図７参照）における値から、６
ｐｐｍに設定した。

【００１５】Ｐの添加 Ｐは、Ｃａに比較して反応性が低い。そのため、溶解原
料に予めＰを配合させておいても、或いは溶解後にＰを
添加しても、Ｐ添加による効果は実質的に変わらない。
したがって、Ｐの添加時期は、次の〜の何れであっ
ても良い。また、予め所定量のＰを含有する過共晶Ａｌ
−Ｓｉ合金又は溶解原料を溶解した後、Ｃａ添加に相前
後して残りのＰを添加することもできる。Ｐは、Ｐ含有
母合金，化合物，混合物等を塊状，棒状，線状，粉末
状，顆粒状，溶融状等の形態で添加される。 Ｐを含む過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金又は溶解原料の調整
→溶解→ Ｃａ添加 → 鋳造 Ｐを含まない過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金又は溶解原料の
調整 →溶解→ Ｃａ及びＰの同時添加 →
鋳造 Ｐを含まない過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金又は溶解原料の
調整 →溶解Ｐ添加 → Ｃａ添加 → 鋳
造 Ｐを含まない過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金又は溶解原料の
調整 →溶解 Ｃａ添加 → Ｐ添加 → 鋳造

【００１６】Ｐ含有量は、Ｃａ−Ｐ化合物による初晶Ｓ
ｉの微細化を促進させる上で、４０〜１３０ｐｐｍの範
囲に維持することが必要である。Ｐ含有量は、Ｃａ含有
量と異なり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を溶湯状態のままで
保持しても、保持時間による大きな影響を受けることな
く、減少量は小さい。なお、Ｐ含有量が４０ｐｐｍ未満
では、初晶Ｓｉを微細化する作用が不十分である。しか
し、１３０ｐｐｍを超えるＰ含有量では、初晶Ｓｉを微
細化する効果があるものの、合金溶湯の流動性が低下
し、湯境い等の鋳造欠陥が発生し易くなる。また、Ｐの
濃度が高くなると溶解歩留りが極端に低下するので、１
３０ｐｐｍ以上のＰを含有させることは非常に困難であ
る。

【００１７】Ｐ／Ｃａ比 Ｐ／Ｃａ比は、微細化効果に大きな影響をもつ因子であ
る。Ｐ／Ｃａを重量比で０．６〜６の範囲に維持するこ
とにより、初晶Ｓｉの微細化に有効なＣａ−Ｐ化合物が
生成されるものと推察される。すなわち、生成したＣａ
−Ｐ化合物が微細な核として合金中に均一分散し、この
核を起点として初晶Ｓｉが晶出する。その結果、微細な
鋳造組織が得られる。Ｐ／Ｃａ重量比が０．６未満で
は、初晶Ｓｉの結晶核として働く作用をもたないＣａ濃
度の高いＣａ−Ｐが形成され、長時間溶湯保持等によっ
てＣａ−Ｐ化合物中のＣａが減少すると好ましい状態に
なり、結晶核としての作用を呈するものと考えられる。
逆に、Ｐ／Ｃａ重量比が６を超えると、Ｃａが不足し、
形成されるＣａ−Ｐ化合物の個数が不足する。

【００１８】Ｓｉ含有量 Ｃａ及びＰにより初晶Ｓｉが微細化する現象は、Ｓｉ含
有量が１３〜２１重量％の範囲にある過共晶Ａｌ−Ｓｉ
合金にみられる。Ｓｉ含有量が大きくなるほど、より多
量のＣａ及びＰを含有させることが必要になることは勿
論、鋳造条件を厳格にコントロールすることが要求され
る。しかも、Ｓｉ含有量に応じて微細化効果が低くな
る。そこで、Ｓｉ含有量の上限を２１重量％に設定し
た。また、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の特性を得るため、Ｓ
ｉ含有量の下限を１３重量％に設定した。

【００１９】溶解温度 Ｃａ及びＰの微細化作用を有効に発揮させる上で、Ｓｉ
が十分に溶解するように過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯を７
６０〜８５０℃の温度範囲で溶解することが好ましい。
溶湯温度は、Ｓｉ含有量に比例して高く設定される。し
かし、過度の高温で溶解することは、溶解のためのエネ
ルギー損失を招くばかりでなく、鋳造までの工程におけ
る条件に変動を来し易い。そこで、溶解温度の上限を、
８５０℃に設定する。

【００２０】溶湯保持時間 Ｃａによる微細化作用は、重量比Ｐ／Ｃａが０．６を超
えるＣａを含有させた過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金ではＣａ添
加直後に現れる。この微細化作用は、合金溶湯を長時間
保持すると消失する。Ｃａの作用が消失する時間は、Ｃ
ａ含有量や保持温度にもよるが、おおよそ６０〜６００
分である。この点で、Ｃａ含有量を重量比Ｐ／Ｃａが
０．６〜６．０となる設定範囲に調整した後、長時間の
保持工程をおくことなく鋳造工程に入ることが好まし
い。他方、重量比Ｐ／Ｃａが０．６を下回るように過剰
のＣａを含有させた過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金では、Ｃａに
よる微細化作用は、Ｃａの添加直後には現れず、合金溶
湯をある時間保持した後に現れる。いわゆる潜伏期間が
存在する。潜伏期間は、添加直後のＣａ含有量が大きく
なるほど長くなる。たとえば、６１ｐｐｍのＰ及び１８
０ｐｐｍのＣａを含有させた過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を７
６０℃に保持したとき、約１００分後にＣａによる微細
化作用が発現する。

【００２１】多量のＣａを含有させた場合にみられる潜
伏期間は、合金溶湯を保持する間にＣａが減少し、その
結果重量比Ｐ／Ｃａが０．６以上に増加することに由来
するものと考えられる。すなわち、重量比Ｐ／Ｃａが
０．６以上になったとき、初めてＣａによる微細化作用
が発揮される。更に合金溶湯を長時間保持すると、Ｃａ
含有量の減少に伴って重量比Ｐ／Ｃａが０．６を超える
とき、微細化作用が消失する。このことは、Ｃａの減少
に伴って、初晶Ｓｉの晶出に有効な核として働くＣａ−
Ｐ化合物の個数が不足することを示唆している。

【００２２】Ｃａ含有量が多い場合、重量比Ｐ／Ｃａが
０．６以上になるまでの溶湯保持時間が長くなるので、
一般に設定範囲にＣａ含有量をコントロールすることが
難しくなる。しかし、大型の溶解炉を使用して多量の合
金を生産する場合、準備や鋳造に長時間を要する。この
ような場合には、この潜伏期間及び潜伏期間後にＣａが
減少して重量比Ｐ／Ｃａが６．０を超えるまでの長い微
細化に有効な期間を利用することもできる。すなわち、
鋳造を行うまでの時間が長い場合、Ｃａを過剰に添加し
ておき、鋳造時点で重量比Ｐ／Ｃａが０．６〜６．０の
範囲に入るように調整する。

【００２３】鋳造温度 高い冷却速度によって初晶Ｓｉを微細化する点では、鋳
造温度をなるべく高く設定することが好ましい。しか
し、合金溶湯が高温になるほどＣａの損耗が激しくな
り、鋳造時にＣａ含有量を制御することが難しくなる。
そこで、鋳造温度は、高い冷却速度による微細化効果が
得られる範囲で、可能な限り低くすることが好ましい。
具体的には、Ｓｉ含有量等の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の成
分及び含有量にもよるが、Ａｌ−Ｓｉ二元系状態図の液
相線＋（７０〜１７０）℃の温度範囲に鋳造温度を設定
する。たとえば、Ｓｉを１５重量％含有する過共晶Ａｌ
−Ｓｉ合金では鋳造温度を６８０℃以上に、Ｓｉを１７
重量％含有する過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金では鋳造温度を７
１０℃以上に、Ｓｉを２０重量％含有する過共晶Ａｌ−
Ｓｉ合金では鋳造温度を７６０℃以上に設定する。

【００２４】Ｃａ含有量は、他の製造条件によっても変
化する。特に、脱ガス処理によってＣａ含有量は大きく
低下する。このときのＣａ含有量の低下は、脱ガスに使
用するガスの種類や脱ガス時間等によって異なった傾向
を示す。そこで、予め脱ガス条件に対応したＣａ含有量
の変化率を求めておき、この変化率に基づいてＣａ含有
量をコントロールすることが好ましい。本発明の過共晶
Ａｌ−Ｓｉ合金は、性質改善元素として６．０重量％以
下のＣｕ，２．０重量％以下のＭｇ，３．０重量％以下
のＮｉ，２．０重量％以下のＭｎ，１．５％重量％以下
のＦｅ，３．０重量％以下のＺｎ，０．３重量％以下の
Ｔｉ等を含むことができる。Ｃｕは、強度、特に高温強
度を向上させる。Ｍｇは、強度を向上させる。Ｎｉは、
高温強度の向上に有効である。Ｍｎ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｔｉ
等は、何れも強度を改善する合金元素である。また、Ｚ
ｒ，Ｃｒ，Ｖ，Ｃｏ等の不純物元素は、０．５重量％以
下に規制することが好ましい。

【００２５】

【実施例】

実施例１：アルミニウム合金Ａ３９０にＣａ及びＰを種
々の割合で配合し、ルツボ炉で溶解した。ＣａはＡｌ−
５％Ｃａ母合金冷材として、ＰはＣｕーＰ母合金冷材と
して、目標組成がＳｉ：１７重量％，Ｃｕ：４．５重量
％及びＭｇ：０．６重量％となるように溶解原料に配合
した。溶解温度は、Ｓｉが完全に溶融する８００℃に設
定した。得られた合金溶湯を３０分間保持した後、内径
１８ｍｍ及び高さ９０ｍｍの金型で鋳造した。得られた
鋳塊について、Ｃａ含有量及びＰ含有量を分析し、初晶
Ｓｉとの関係を調査した。調査結果を示す表１におい
て、試験番号１は、Ｃａを添加することなくＰ処理のみ
で初晶Ｓｉの微細化を図った例である。この場合、初晶
Ｓｉは、かなり粗い粒径となっている。他方、約６０ｐ
ｐｍのＣａを含有させた試験番号２及び３では、初晶Ｓ
ｉが１５μｍ及び１８μｍと極めて微細化されていた。
このことから、Ｃａ及びＰの共存が初晶Ｓｉの微細化に
有効であることが判る。

【００２６】Ｃａを１５０ｐｐｍと過剰に含有させた試
験番号４では、Ｐ単独添加の試験番号１に比較して、む
しろ初晶Ｓｉが粗くなっている。これは、Ｃａによって
Ｐの微細化作用が阻害されたことを示唆する。同じ試験
番号４の合金溶湯を更に７６０℃で１時間保持したとこ
ろ、試験番号５にみられるように、Ｃａ含有量が８９ｐ
ｐｍまで減少すると共に、Ｃａ及びＰの共存による初晶
Ｓｉの微細化作用が発現されている。

【表１】

【００２７】実施例２：Ｓｉ：２１重量％，Ｃｕ：１重
量％，Ｍｇ：１重量％及びＮｉ：１重量％を含有するア
ルミニウム合金について、実施例１と同様にＣａ及びＰ
の影響を調査した。調査結果を示す表２において、試験
番号６は、Ｐ処理によって初晶Ｓｉの微細化を図ったも
のであるが、３０μｍと粗い初晶Ｓｉが生成されてい
た。これに対し、Ｃａ及びＰの共存によって初晶Ｓｉを
微細化した試験番号７では、初晶Ｓｉの粒径が１０μｍ
と微細化されていた。

【表２】

【００２８】実施例３：Ｃｕ−Ｐ母合金冷材としてＰの
みを溶解原料に添加したアルミニウム合金Ａ３９０、及
びそれぞれＣｕ−Ｐ母合金冷材及びＡｌ−Ｃａ母合金冷
材としてＰ及びＣａを溶解原料に添加したアルミニウム
合金Ａ３９０を、８２０℃で溶解し、温度７８０℃及び
速度１５０ｍｍ／分の鋳造条件でホットトップ鋳造法に
より直径９８ｍｍの鋳塊に連続鋳造した。得られた鋳塊
の組織を、図１及び図２に示す。Ｃａ無添加の鋳塊（図
１）では初晶Ｓｉが５０μｍであるのに対し、Ｐ及びＣ
ａを併用添加した鋳塊（図２）では、初晶Ｓｉが著しく
２０μｍと微細化していることが判る。

【００２９】実施例４：約８０ｐｐｍのＰを含有するア
ルミニウム合金Ａ３９０（Ｓｉ：１７重量％，Ｃｕ：
４．５重量％，Ｍｇ：０．６重量％，残部Ａｌ）をルツ
ボ炉で溶解した後、Ｃａを添加することなく内径１８ｍ
ｍ及び高さ９０ｍｍの金型に鋳造した。残った溶湯にＡ
ｌ−５％Ｃａ母合金をＣａ換算で１００ｐｐｍ添加し、
合金溶湯を８００℃の温度で種々の時間保持した後、同
様の金型に鋳造した。得られた鋳塊について、Ｃａ含有
量及びＰ含有量を分析し、分析結果と初晶Ｓｉの粒径と
の関係を調査した。調査結果を示す表３から明らかなよ
うに、Ｐ処理のみ（Ｃａ添加前）で微細化を図った試験
番号８に比較して、Ｃａ添加後の合金溶湯を５〜１２０
分保持した後で鋳造した試験番号９〜１２では、初晶Ｓ
ｉが著しく微細化していた。また、Ｃａ含有量は、保持
時間の経過と共に減少する傾向を示した。しかし、Ｃａ
含有量が６ｐｐｍを下回らず且つＰ／Ｃａ比が６以下に
維持されている限り、Ｐ及びＣａの共存による初晶Ｓｉ
の微細化作用が維持された。

【表３】

【００３０】実施例５：約６０ｐｐｍのＰを含有するア
ルミニウム合金Ａ３９０（Ｓｉ：１７重量％，Ｃｕ：
４．５重量％，Ｍｇ：０．６重量％，残部Ａｌ）にＣａ
を５０ｐｐｍ添加し、鋳造温度を７６０℃とする他は実
施例４と同じ条件で鋳塊を製造した。得られた鋳塊にお
けるＣａ含有量及びＰ含有量を分析し、分析結果と初晶
Ｓｉの粒径との関係を調査した。調査結果を示す表４に
おいて、試験番号１３は、Ｃａを添加することなくＰ処
理のみで初晶Ｓｉの微細化を図った例であり、比較的粗
い初晶Ｓｉが生成している。これに対し、Ｃａ添加した
試験番号１４〜１７では、保持時間の経過と共にＣａ含
有量が低下する傾向にあるが、Ｃａ含有量が６ｐｐｍを
下回らない条件下では粒径２０μｍ以下の微細な初晶Ｓ
ｉが生成していた。しかし、保持時間が３９０分と長く
なったとき、Ｃａ含有量の減少によってＰ／Ｃａ比が７
となり、それに伴ってＣａ及びＰの共存作用が消失し、
粗い初晶Ｓｉが生成した。

【表４】

【００３１】実施例６：約６０ｐｐｍのＰを含有するア
ルミニウム合金Ａ３９０（Ｓｉ：１７重量％，Ｃｕ：
４．５重量％，Ｍｇ：０．６重量％，残部Ａｌ）にＣａ
を２００ｐｐｍ添加し、鋳造温度を７６０℃とする他は
実施例４と同じ条件で鋳塊を製造した。得られた鋳塊に
おけるＣａ含有量及びＰ含有量を分析し、分析結果と初
晶Ｓｉの粒径との関係を調査した。

【表５】

【００３２】調査結果を示す表５において、試験番号１
８は、Ｃａを添加することなくＰ処理のみで初晶Ｓｉの
微細化を図った例であり、比較的粗い初晶Ｓｉが生成し
ている。Ｃａ含有量は、保持時間の経過と共に低下する
傾向にあった。しかし、保持時間が短くＣａ含有量が１
８０ｐｐｍと高い試験番号１９では、重量比Ｐ／Ｃａが
０．６より低く、Ｐ処理の作用を打ち消し、むしろ粒径
の大きな初晶Ｓｉが生成した。また、同じ溶湯を７６０
℃に６０分間保持した試験番号２０では、Ｃａ含有量が
１４０ｐｐｍを超えており、依然として重量比Ｐ／Ｃａ
が０．６より低く、初晶Ｓｉが粗く、Ｃａ及びＰの共存
による微細化作用がみられなかった。保持時間が１２０
分になったとき、Ｃａ含有量が１０９ｐｐｍまで低下
し、重量比Ｐ／Ｃａが０．６となり、Ｃａ及びＰの共存
による微細化作用が発現し、微細な初晶Ｓｉが生成し
た。

【００３３】実施例７：Ｓｉ：１５重量％，Ｃｕ：３．
５重量％，Ｍｇ：０．５重量％，残部Ａｌの組成をもつ
アルミニウム合金を溶解し、鋳造温度７６０℃で金型に
鋳造した。鋳塊の組織に与える影響をＣａ添加の有無に
ついて調査した。図３は、Ｃａを添加せず、Ｐ含有量６
５ｐｐｍ及びＣａ含有量１ｐｐｍでＰ／Ｃａ比６５の合
金溶湯から得られた鋳塊の組織を示す。他方、図４は、
この合金溶湯にＣａを添加し、Ｐ含有量６８ｐｐｍ及び
Ｃａ含有量４７ｐｐｍでＰ／Ｃａ比１．４に調整した合
金溶湯から得られた鋳塊の組織を示す。図３と図４との
比較から明らかなように、Ｃａ無添加の場合に初晶Ｓｉ
が３０μｍと粗いが、Ｃａ添加によって初晶Ｓｉが１０
μｍと著しく微細化されていることが判る。

【００３４】実施例８：約６０ｐｐｍのＰを含有するア
ルミニウム合金Ａ３９０（Ｓｉ：１７重量％，Ｃｕ：
４．５重量％，Ｍｇ：０．６重量％，残部Ａｌ）を５０
ｋｇのルツボ炉で８２０℃に溶解し、温度７８０℃及び
速度１５０ｍｍ／分の鋳造条件でホットトップ鋳造法に
よって直径９８ｍｍの鋳塊を製造した。この場合、一部
の溶湯はＣａ無添加で鋳造し、残りの溶湯はＣａ添加後
に鋳造した。Ｃａは、Ａｌ−５％Ｃａ合金を使用して添
加量が２０ｐｐｍとなるように鋳造中の湯溜り部に連続
的に添加した。鋳塊のＣａ含有量及びＰ含有量を分析
し、分析結果と初晶Ｓｉの粒径との関係を調査した。Ｃ
ａを添加することなくＰ処理のみで初晶Ｓｉを微細化し
た鋳塊（図５）は、Ｐ含有量５８ｐｐｍ及びＣａ含有量
１ｐｐｍ以下でＰ／Ｃａ比＞５８の合金溶湯から鋳造さ
れたものであり、４５μｍの粒径をもつ初晶Ｓｉが生成
していた。Ｐ含有量６１ｐｐｍ及びＣａ含有量１７ｐｐ
ｍでＰ／Ｃａ比３．２に調整した図６の鋳塊には、粒径
１８μｍの初晶Ｓｉが生成していた。

【００３５】また、Ａ３９０合金について実施例１と同
じ金型を使用し、Ｃａ含有量，Ｐ含有量及びＰ／Ｃａ比
を種々変更し、それぞれが初晶Ｓｉの粒径に与える影響
を調査した。調査結果を示す表６において、本発明で規
定した範囲を外れる条件に印＊を付した。表６から明ら
かなように、Ｃａ含有量を６ｐｐｍ以上の範囲に、Ｐ含
有量を４０ｐｐｍ以上の範囲に、且つＰ／Ｃａを重量比
で０．６〜６の範囲に維持するとき、初めて粒径が２０
μｍの初晶Ｓｉが生成することが判る。

【表６】

【００３６】以上の試験番号１〜３０及び図１〜６につ
いて、Ｃａ含有量，Ｐ含有量及びＰ／Ｃａ比で初晶Ｓｉ
の粒径を整理したところ、図７に示す関係が成立してい
た。なお、図７におけるＡＥ及びＥＤは、前述したよう
に鋳造性から設定される境界線であり、ＡＥより上及び
ＥＤより右側の部分でも重量比Ｐ／Ｃａ＝０．６〜６．
０の条件が満たされる限り初晶Ｓｉの微細化は達成され
る。しかし、溶湯の粘度が著しく上昇し、湯境い等の鋳
造欠陥が生じ易くなる。Ｃａ含有量＝６〜１２０ｐｐ
ｍ，Ｐ含有量＝４０〜１３０ｐｐｍ及びＰ／Ｃａ比＝
０．６〜６の条件を満足する領域Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−
Ａでは、粒径が２０μｍ以下の初晶Ｓｉが安定して生成
している。これは、初晶Ｓｉの晶出に有効な核であるＣ
ａ−Ｐ化合物が均一に分散していることに由来するもの
と推察される。他方、ＡＢより左，ＣＤより右及びＢＣ
より下の領域では、初晶Ｓｉが２０μｍを超える大きな
粒径になっている。Ｐ／Ｃａ比が０．６未満或いは６を
超える領域では、Ｃａ−Ｐ系の結晶核が不足するか不適
であり、初晶Ｓｉの微細化が図られていない。また、領
域Ｂ−Ｃ−Ｏでは、Ｃａ−Ｐ系の結晶核が少なく、初晶
Ｓｉの微細化が達成されていないと推察される。

【００３７】また、アルミニウム合金Ａ３９０の溶湯を
７６０℃に保持した時間との関係でＣａ含有量を整理し
たところ、図８に示すように保持時間の経過に応じてＣ
ａ含有量が低下していた。図８において、２０ｐｐｍの
Ｃａを添加したときのＣａ含有量の経時変化を印□で、
５０ｐｐｍのＣａを添加したときのＣａ含有量の経時変
化を印＋で、１００ｐｐｍのＣａを添加したときのＣａ
含有量の経時変化を印◇で示す。Ｃａ含有量の低下傾向
は、アルミニウム合金溶湯の保持温度を８００℃にした
とき、図９に示すように変わる。図９を図８と対比する
とき、保持温度の上昇によって短時間でＣａ含有量が低
下していることが判る。

【００３８】したがって、各種アルミニウム合金につい
てＣａ含有量の経時変化を溶湯保持温度との関係で予め
把握しておくとき、保持時間の調整によって必要とする
Ｃａ含有量及びＰ／Ｃａ比をコントロールすることがで
きる。たとえば、各種Ｐ含有量のアルミニウム合金Ａ３
９０について、溶湯保持温度を７６０℃に設定したと
き、図１０に示すようにＣａ含有量が経時的に低下す
る。図１０のＣａ＝１１５の直線は、Ｐ含有量（６９〜
７６ｐｐｍ）に拘らず、少なくとも重量比Ｐ／Ｃａが
０．６以上になる限界のＣａ含有量を、Ｃａ＝１１．５
の直線は同様にＰ含有量（６３〜６９ｐｐｍ）に拘ら
ず、少なくとも重量比Ｐ／Ｃａが６．０以下になる限界
のＣａ含有量を示す。したがって、この二つの直線の間
にＣａ量があるとき、図７で直線ＡＢとＣＤの間にある
重量比Ｐ／Ｃａ＝０．６〜６．０の関係が満足される。

【００３９】Ｃａ含有量が多い場合、初晶Ｓｉの微細化
効果は得られないが、溶湯保持によりＣａ含有量が１１
５ｐｐｍ以下に減少するに伴って微細化効果が発現して
いる。同様に適量のＣａが含有されていても、溶湯保持
によりＣａ含有量が１１．５ｐｐｍより少なくなると、
微細化効果が得られなくなる。すなわち、重量比Ｐ／Ｃ
ａが０．６〜６．０の範囲になるようなＣａ含有量にあ
るときに鋳造することによって、Ｃａ及びＰの共存効果
が発揮され、初晶Ｓｉの微細化が行われる。鋳造温度
は、主としてＳｉ含有量をベースにして定められる。Ｓ
ｉ含有量が高いほど、初晶Ｓｉを微細化するため鋳造温
度を高く設定する。Ｓｉ含有量及び鋳造温度は、図１１
に示すように初晶Ｓｉの微細化に影響を与える。鋳造温
度は、具体的にはＡｌ−Ｓｉ二元系状態図の液相線より
も７０℃以上の高い温度に設定する。しかし、鋳造温度
が高くなりすぎると、Ｃａの消耗が激しくなり、Ｃａ含
有量を目標値にコントロールすることが難しくなる。そ
のため、鋳造温度の上限は、液相線＋１７０℃にするこ
とが好ましい。

【００４０】図１１において、２３％Ｓｉ合金を８４０
度で鋳造した場合を△印で示している。これは、７６０
℃及び８００℃で鋳造した場合、初晶Ｓｉが４５〜５０
μｍと粗かったのに対し、８４０℃で鋳造した場合は３
０μｍと改良効果があるものの、１３〜２１％のＳｉを
含む合金の場合のように初晶Ｓｉの大きさを２０μｍ以
下に制御することができなかったことを示している。図
１２は、重量比Ｐ／Ｃａ＝０．６〜６．０の条件下でＰ
を４０〜１３０ｐｐｍ及びＣａを６〜１２０ｐｐｍを含
有させたＡｌ−１５〜２３％Ｓｉ合金を鋳造したときに
得られた結果を、初晶Ｓｉの粒径及びＳｉ含有量につい
て整理したものである。なお、このときの鋳造温度は、
各合金の液相線＋（７０℃〜１７０℃）に設定した。

【００４１】Ｓｉ含有量が１５〜２１％のとき、何れも
初晶Ｓｉが２０μｍ以下に微細化されている。これに対
し、Ａｌ−２３％Ｓｉ合金では、Ｐ含有量，Ｃａ含有
量，重量比Ｐ／Ｃａ，鋳造温度等を調整しても、Ｃａ添
加による初晶Ｓｉの微細化効果はみられるものの、初晶
Ｓｉの粒径を２０μｍ以下に制御することができなかっ
た。このことから、Ｓｉ含有量の上限が２１％に規定さ
れる。Ｓｉ含有量が２１％を超える過共晶Ａｌ−Ｓｉ合
金では、一般的にいって初晶Ｓｉの微細化が難しい。し
かし、Ｃａを添加することによって、Ｐ単独添加の場合
に比較して初晶Ｓｉが微細化されていることから、その
程度は異なるものの２１％以下のＳｉを含有する合金の
場合と同じ原理に基づいているものと考えられる。この
ようにして鋳造直前の状態におけるＣａ含有量及びＰ含
有量をそれぞれ６〜１２０ｐｐｍ及び４０〜１３０ｐｐ
ｍの範囲に且つＰ／Ｃａの重量比を０．６〜６の範囲に
調整したアルミニウム合金溶湯を鋳造するとき、初晶Ｓ
ｉの粒径が２０μｍ以下の微細な鋳造組織をもつ鋳塊が
得られる。この鋳塊は、微細な初晶Ｓｉに起因して加工
性，切削性，耐摩耗性等の優れたものである。

【００４２】実施例９：加工性を評価するため、Ｓｉ：
１５重量％，Ｃｕ：３．５重量％，Ｍｇ：０．５重量
％，残部Ａｌの組成をもつ合金に対し、一方はＰのみ
を、他方はＰ及びＣａを添加してＤＣ鋳造した。得られ
たＤＣ鋳塊を５００℃に５時間加熱する均熱処理を施し
た後、直径１４ｍｍ及び長さ２１ｍｍの円柱状の試験片
を多数切り出し、４００トンプレスを使用して温度４５
０℃及び速度２５ｍｍ／秒の条件下で据込み試験を行っ
た。なお、潤滑剤として窒化硼素を使用した。その他の
条件は、日本塑性学会冷間鍛造分科会冷間鍛造試験基準
［塑性と加工第２２巻第２４１号（１９８１〜２）第１
３９頁参照］に従った。試験結果から、Ｐ：７１ｐｐｍ
及びＣａ：３ｐｐｍを含有する合金は、割れが発生しな
い限界の加工率、すなわち限界据込み率が約６５％に留
まっていた。他方、Ｐ：７４ｐｐｍ及びＣａ：５５ｐｐ
ｍを含有し初晶Ｓｉを１０μｍと微細化した合金では、
限界据込み率が７４％と著しく向上していた。

【００４３】実施例８のＡ３９０合金鋳塊（図５及び図
６）について、同様の条件下で据込み試験を行った。
Ｐ：５８ｐｐｍ及びＣａ：１ｐｐｍを含有する合金の限
界据込み率は、約６３％であった。他方、Ｐ：６１ｐｐ
ｍ及びＣａ：１７ｐｐｍを含有し初晶Ｓｉを平均粒径１
５μｍと微細化した合金では、限界据込み率が７０％と
著しく向上していた。この６１ｐｐｍ及びＣａ：１７ｐ
ｐｍを含み直径９８ｍｍ及び長さ９０ｍｍのＡ３９０合
金鋳塊を温度３４０℃，速度２ｍ／分で直径２０ｍｍの
丸棒に押し出した後、同じ据込み試験に供した。この試
験片を切断した後、光学顕微鏡で組織を観察したとこ
ろ、初晶Ｓｉの割れはほとんどみられなかった。また、
押出し材の限界据込み率は、約８８％と過共晶合金とし
ては極めて高い値を示した。以上の据込み試験の結果か
ら、Ｃａ添加によって初晶Ｓｉが微細化され、合金の加
工性が著しく向上していることが判る。

【００４４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、Ｃａ含有量，Ｐ含有量及びＰ／Ｃａの重量比を規制
することによって、粒径が小さい初晶Ｓｉが分散した微
細な鋳造組織をもち、且つ鋳造欠陥の少ない過共晶Ａｌ
−Ｓｉ合金を得ている。この過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金は、
その微細な鋳造組織に起因して加工性，切削性，耐摩耗
性等に優れ、内燃機関用部品を始めとして耐摩耗性，耐
熱性等が要求される用途に使用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例３でＰ処理のみを施した溶湯から製造
された鋳塊

【図２】 実施例３でＣａ及びＰを共存させた溶湯から
製造された鋳塊

【図３】 実施例７でＰ処理のみを施した溶湯から製造
された鋳塊

【図４】 実施例７でＣａ及びＰを共存させた溶湯から
製造された鋳塊

【図５】 実施例８でＰ処理のみを施した溶湯から製造
された鋳塊

【図６】 実施例８でＣａ及びＰを共存させた溶湯から
製造された鋳塊

【図７】 Ｃａ含有量，Ｐ含有量及びＰ／Ｃａ比と初晶
Ｓｉの粒径の関係

【図８】 溶湯を７６０℃に保持したときのＣａ含有量
の経時変化

【図９】 溶湯を８００℃に保持したときのＣａ含有量
の経時変化

【図１０】 各種Ｐ含有量の溶湯を７６０℃に保持した
ときのＣａ含有量の経時変化と初晶Ｓｉ緒微細化挙動

【図１１】 Ｓｉ含有量及び鋳造温度が初晶Ｓｉの微細
化に与える影響

【図１２】 Ｓｉ含有量と初晶Ｓｉの粒径

フロントページの続き (72)発明者 橋本 昭男 静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号 株式会社日軽技研内 (72)発明者 北岡 山治 静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号 株式会社日軽技研内 (72)発明者 鷺坂 栄吉 静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号 株式会社日軽技研内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｓｉ：１３〜２１重量％，Ｃａ：６〜１
   ２０ｐｐｍ及びＰ：４０〜１３０ｐｐｍを含有し、Ｐ／
   Ｃａが重量比で０．６〜６の範囲にあることを特徴とす
   る加工性に優れた過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金。
2. 【請求項２】 初晶Ｓｉの粒径が２０μｍ以下である請
   求項１記載の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金。
3. 【請求項３】 過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の溶湯に含まれて
   いるＰ及びＣａを、鋳造直前のＰ含有量が４０〜１３０
   ｐｐｍ，Ｃａ含有量が６〜１２０ｐｐｍで且つＰ／Ｃａ
   の重量比が０．６〜６の範囲になるように調整し、前記
   溶湯を鋳造することを特徴とする過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金
   の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載の重量比Ｐ／Ｃａが、溶解
   原料の成分調整，Ｐ原料及びＣａ原料の添加量と添加時
   期，合金溶解温度，溶湯保持温度と時間，脱ガス条件，
   鋳造温度等の操業条件によって調整される過共晶Ａｌ−
   Ｓｉ合金の製造方法。
5. 【請求項５】 合金を溶解した後、樋，溜り等でＣａを
   添加する請求項３記載の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の製造方
   法。